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电路板设计如何选择PCB材料

  • 发布时间:2020-12-21 08:26:40
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每个PCB的热,机械和电气行为都取决于PCB基板,导体和组件材料的材料特性。在这些不同的材料中,设计人员可以通过选择正确的PCB基板材料来最大程度地控制板的行为。PCB材料的性能,尤其是树脂和层压材料的性能,将决定您的电路板对机械,热和电刺激的反应方式。

 

当选择PCB基板材料时,哪种PCB材料特性对您的电路板最重要?答案取决于电路板的应用和将要部署PCB的环境。在为下一块PCB选择预浸料和层压材料时,应考虑以下一些重要的材料特性,以供您的应用参考。

 

重要的PCB材料特性

您首先应该了解不同的材料特性如何影响您的PCB,然后选择能够满足您的操作要求的层压板。不要只听层压板制造商的营销演讲;花时间了解每种基材的材料特性以及它们如何影响您的PCB。

 

可以在网上找到一些有关PCB材料性能的数据,但最好向制造商咨询,特别是对于专门的层压材料,因为没有两个层压板完全相同,也没有两个完全相同。陶瓷和金属芯PCB等更多奇特的材料具有一系列独特的材料特性。

PCB基板

 

所有设计人员都应了解的重要PCB材料性能分为四个方面:电气,结构,机械和热性能。

 

 电学性质 

当今PCB基板材料中需要考虑的所有重要电特性都体现在介电常数中。

 

 介电常数 

这是设计用于高速/高频PCB的叠层时要考虑的主要电气特性。介电常数是一个复杂的量,它是频率的函数,在PCB基板中引起以下形式的分散:

 

速度色散:因为介电常数是频率的函数,所以不同的频率将经历不同的损耗水平并以不同的速度传播。

 

损耗色散:信号经历的衰减也是频率的函数。色散的简单模型表示损耗随频率的增加而增加,但这并不是严格正确的,某些层压板的损耗与频谱之间可能存在复杂的关系。

 

这两个效应有助于信号在传播过程中经历的失真程度。对于在非常窄的带宽或单个频率上工作的模拟信号,色散无关紧要。但是,它在数字信号中极为重要,并且是高速数字信号建模和互连设计中的主要挑战之一。

 

 结构性质 

PCB及其基板的结构也将影响板上的机械,热和电性能。这些特性主要通过两种方式体现:玻璃编织方式和铜导体的粗糙度。

 

 玻璃编织风格 

玻璃编织样式会在PCB基板上留下间隙,这与板上的树脂含量有关。玻璃和浸渍树脂的体积比例结合起来,可以确定基材的体积平均介电常数。此外,玻璃编织样式中的间隙会产生所谓的纤维编织效应,其中沿着互连线变化的基板介电常数会产生偏斜,共振和损耗。这些影响在〜50 GHz或更高的频率下变得非常突出,这会影响雷达信号,数千兆位以太网和典型的LVDS SerDes通道信号。

PCB材料

 

PCB基板材料中常见的玻璃编织样式

 铜粗糙度 

尽管这实际上是印刷铜导体的结构特性,但它有助于互连的电阻抗。导体的表面粗糙度在高频下有效地增加了其趋肤效应电阻,导致信号传播期间感应涡流产生的感应损耗。铜蚀刻,铜沉积方法以及预浸料的表面都会在一定程度上影响表面粗糙度。

 

 热性能 

选择基板材料时,需要将PCB层压板和基板的热性能分为两组。

 

 导热系数和比热 

将板的温度提高一度所需的热量以基板的比热来量化,而每单位时间通过基板传输的热量以热导率来量化。这些PCB材料的性能共同决定了电路板在运行过程中与环境达到热平衡时的最终温度。如果将您的电路板部署在需要快速将热量散发到大型散热器或机箱中的环境中,则应使用导热率更高的基板。

 

玻璃化温度和热膨胀系数(CTE)

这两个PCB材料特性也相关。所有材料都具有一定的热膨胀系数(CTE),恰好是PCB基板中的各向异性量(即,膨胀率沿不同方向是不同的)。一旦电路板的温度超过玻璃化转变温度(Tg),CTE值就会突然增加。理想情况下,CTE值应在所需温度范围内尽可能低,而Tg值应尽可能高。最便宜的FR4基板的Tg〜130°C,但是大多数制造商都提供Tg〜170°C的纤芯和层压板选择。

 

上面列出的热性能还与PCB基板上导体的机械稳定性有关。特别地,CTE失配在高纵横比的通孔和盲孔/埋孔中产生了已知的可靠性问题,其中,由于体积膨胀引起的机械应力,通孔易于断裂。因此,已经开发出了高Tg材料和其他专门的层压板,从事HDI设计的设计师可能会考虑使用这些替代材料。

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